Table Of ContentFestigkeitsberechnung
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Dr.-Ing. Siegfried Schwaigerer
Dr.-Ing. Gerd Miihlenbeck
Recycon GmbH
MiinsterstraBe 5
59065 Hamm
Die Deutsche Bibliothek - Cip-Einheitsaufnahme
Schwaigerer, Siegfried:
Festigkeitsherechnung im Damptkessel-, BeMlter-und Rohrleitungsbau : mit 19 Tabellen /
Siegfried Schwaigerer ; Gerd Miihlenbeck. -5., iiberarb. und erw. Aufl. -Berlin; Heidelberg;
New York; Barcelona; Budapest; Hongkong ; London; Mailand ; Paris; Santa Clara;
Singapur ; Tokio: Springer. 1997
ISBN 978-3-642-63845-9 ISBN 978-3-642-59090-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-59090-0
NE: Miihlenbeck, Gerd:
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1961, 1970, 1978, 1983, 1990 and 1997
Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1997
Softcover reprint of the hardcover 5th edition 2004
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gegebenenfalls fiir die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der
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Satz: Fotosatz-Service Kohler ORG, Wiirzburg
SPIN: 10481339 62/3020 -5 43210 - Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort zur ffinften Auflage
Der "Schwaigerer" ist ein Grundlagenwerk, das ein unverzichtbares Arbeitsmittel fur
Dozenten, Studenten und Praktiker darstellt. Ich betrachte die Arbeit von Herrn
Dr.-Ing. Siegfried Schwaigerer als ein Erbe, dessen Erwerb und Fortfuhrung eine be
sondere Pflicht ist. In diesem Sinn wurde das Werk iiberarbeitet und urn den Themen
bereich explosionsfeste Berechnung von Bauteilen sowie deren Spannungsbewertung
erweitert.
Hamm, im November 1996 Gerd Miihlenbeck
Vorwort zur vierten Auflage
Die vierte Auflage entspricht in Umfang und Stoffaufteilung weitgehend der dritten
Auflage, so daB auch das dort im Vorwort gesagte Geltung behiilt. Die Gelegenheit
eines Neudrucks wurde genutzt, Druckfehler zu berichtigen. Bezuglich der Ausfiih
rungen uber Dauer- und Zeitfestigkeit bei wechselnder Beanspruchung erschien es
zweckmiiBig, zum besseren Verstiindnis verschiedene Text- und Abbildungsanderun
gen vorzunehmen sowie aueh einige neue Vorstellungen in Vorschlag zu bringen.
Ein Absehnitt, der sieh mit dem Sprodbrueh befallt, wurde neu aufgenommen.
Dabei ist bewuBt auf eine eingehende Darstellung dieses umfangreiehen Wissensge
bietes verziehtet worden. Lediglich die wesentlichsten Gedanken wurden herausge
stellt, die fUr den Praktiker, der sieh nur einen kurzen Uberbliek versehaffen moehte,
nutzlieh sein ki:innen. Dies gilt insbesondere fUr die Bruehmeehanik, die in den letzten
lahren stark in den Vordergrund des lnteresses getreten ist und sehr zum Verstiindnis
des Bruchvorgangs beigetragen hat.
Dusseldorf, im Marz 1983 Siegfried Sehwaigerer
VI Vorwort
Vorwort zur dritten Auflage
Wie in den vorhergehenden Auflagen wurde an dem Grundgedanken festgehalten,
dem Praktiker eine Arbeitshilfe zu geben, die es ihm ermoglicht, mit geringem Zeit auf
wand, ohne Einsatz maschineller Hilfsmittel, die Abmessungen eines Bauteils so zu
ermitteln, daB den Festigkeitsanforderungen Genuge getan wird. Dabei wurde beson
derer Wert auf eine einfache, leicht verstiindliche, durch Versuchsergebnisse gestutzte
Darstellung gelegt.
In diesem Sinne wurden in die dritte Auflage die neuen Erkenntnisse der letzten
Jahre eingearbeitet. Zum besseren Verstiindnis schien es auch angebracht, bisherige
Ausfuhrungen zu erganzen und die Gedankengange zu vertiefen. So wurden einge
hende Betrachtungen zum Problem der Wechselfestigkeit angestellt und Vorschliige
fUr die Berechnung solcher Teile gemacht. Ganz neu bearbeitet, insbesondere im
Hinblick auf die Rohrboden bei Wiirmetauschern, ist der Abschnitt uber ebene Plat
ten. Neu hinzugekommen ist ein Abschnitt uber Wellrohr-Kompensatoren. Wesent
liche Umarbeitung hat der Abschnitt Flanschverbindungen erfahren. Mit einer Reihe
von Beispielen wurde der Berechnungsgang in einzelnen Abschnitten erlautert.
Dusseldorf, im Juli 1978 Siegfried Schwaigerer
Vorwort zur ersten Auflage
Eingeleitet durch die Arbeiten von C. Bach haben die deutschen Berechnungsvor
schriften fur Dampfkessel, Behiilter und Rohrleitungen, wie sie in den Dampfkessel
bestimmungen, in den AD-Merkblattern und in den einschlagigen Normen verankert
sind, eine fUhrende Stellung in der Fachwelt erlangt. Es hat vieler Kleinarbeit, Unter
suchungen und Aussprachen in den Fachgremien bedurft, urn zu den heutigen in
knapper Form vorliegenden Fassungen zu gelangen.
An der Seite meines hochverehrten Lehrers, E. Siebel, durfte ich an dieser groBen
Arbeit teilnehmen. So bin ich auch gern der Aufforderung aus Fachkreisen nachge
kommen, einmal die Uberlegungen und Gedanken, die zu den verschiedenen Berech
nungsformeln gefuhrt haben, in geschlossener Form darzustellen. Es ist naheliegend,
daB die eingehende Durcharbeitung des Stoffes an der einen oder anderen Stelle eine
Erganzung oder einen Verbesserungsvorschlag entstehen lieB, der hiermit zur Diskus
sion gestellt sei. Der Zweck des vorliegenden Buches scheint mir erfullt, wenn es
denen, die sich mit Festigkeitsrechnungen befassen mussen, eine Hilfe sein wird und
zur weiteren Entwicklung Anregungen gibt.
Oem Springer-Verlag habe ich fur die Ausstattung sowie die sorgfiiltige Herstel
lung von Satz und Abbildungen zu danken.
Diisseldorf, im Marz 1961 Siegfried Schwaigerer
Geleitwort VII
Geleitwort zur ersten Auflage
Die deutschen Vorschriften und Richtlinien flir die Berechnung von Dampfkesseln
und Druckbehaltem beschranken sich bewuBt auf die Wiedergabe der einfachen
1
und kurzen Berechnungsformeln. Hinter diesen Formeln stehen jedoch die Ergeb
nisse wissenschaftlicher Untersuchungen und einer ausgedehnten laufenden For
schung, die immer wieder durch praktische Erfahrungen erhartet und erganzt bzw.
auch korrigiert werden miissen. Es ist Herm Dr. Schwaigerer daflir zu danken, daB
er der Anregung des Deutschen Damptkessel- und DruckgefaB-Ausschusses gefolgt
ist und die theoretischen Grundlagen des deutschen Berechnungswerkes und die
Entwicklung, die hierzu geflihrt hat, zusammenfassend niedergelegt hat. Ais lang
jahriger Mitarbeiter von Herrn Professor Dr.-Ing. Erich Siebel war er wohl dazu be
rufen, die Siebelschen Ideen darzulegen, die dem Deutschen Dampfkessel- und
DruckgefaB-AusschuB in besonderem MaBe als Richtschnur flir seine Arbeiten in
den beiden letzten lahrzehnten gedient haben.
Die Ausflihrungen von Herrn Dr. Schwaigerer bieten nicht nur die theoretische
Grundlage und Bestatigung flir die zur Zeit geltenden und zum Teil noch im Ent
wurf vorliegenden Berechnungsregeln, sondern zudem auch eine wiinschenswerte
sachliche Kritik und Vorschlage flir die weitere Entwicklung und Erganzung. Die
Technik des Dampfkessel- und OruckgefaBbaues ist noch in standigem fluB. Die
Bestrebungen und Vorschlage flir eine Regelung auf intemationaler Ebene verdie
nen dabei besondere Beachtung. Deshalb ist die vorliegende Zusammenstellung
nicht nur als Grundlage flir die derzeitig geltenden Vorschriften und Richtlinien zu
begriiBen, sondern darf auch als Ausgangspunkt flir deren weitere Entwicklung an
gesehen werden. Entscheidend dabei muB immer wieder die praktische Bewahrung
bleiben, iiber die uns die Schadensstatistik Antwort gibt, und die letzten Endes auch
die Obereinstimmung von Theorie und Praxis bestatigt.
Dem Buch wird ein voller Erfolg gewiinscht. Es gehort in die Hand jedes Inge
nieurs, der mit der Sicherheit von Dampfkesseln und Druckbehaltern zu tun hat.
Deutscher Dampfkessel-und DruckgefaB-AusschuB
1 Dampfkessel-Bestimmungen, Technische Regeln flir Dampfkessel Teil "Berechnung" und
AD-Merkblatter "Berechnung von Druckbehaltern". Bezug: Carl Heymanns Verlag KG.,
GereonstraBe 18-32,50670 Kaln, und Beuth-Vertrieb GmbH., Friesenplatz 16, 50672 Kaln.
Inhaltsverzeichnis
Bezeichnungen. XI
Einleitung . . .
1 Grundsatzliche Betrachtungen zur Festigkeitsberechnung 2
1.1 F estigkeitsbedingungen. 2
1.2 Spannungszustand. . . . . . . . 3
1.3 Werkstoff-Kennwerte . . . . . . 6
1.4 Sicherheitsbeiwerte und Zuschlage 9
1.5 F estigkeitshypothesen . . . . . . 14
1.6 Festigkeitsrechnung bei ungleichformiger ruhender Beanspruchung . 17
1.7 Eigenspannungen . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.8 Festigkeitsrechnung bei wechselnder Beanspruchung 22
1.8.1 Dauer-Wechselfestigkeit . 23
1.8.2 Zeit-W echselfestigkeit. . . . . . . 27
1.9 Grundformen. . . . . . . . . . . . . 39
2 Zylindrische Schalen unter innerem Uberdruck 42
2.1 Die Beanspruchung in Zylinder-Schalen unter Innendruck . 42
2.2 Zylinder-Schalen mit SchweiBnaht 53
2.3 Zylinder-Schalen mit Lochfeldern . 54
2.4 Zylinder-Schalen mit Ausschnitten 61
2.5 Unrunde Zylinder-Schalen 79
3 Rohrbogen. . . . . . . . . . . . . 82
3.1 Beanspruchung durch den Innendruck 82
3.2 Beanspruchung durch ein Biegemoment 85
3.3 Beanspruchung durch tiberlagerte Innendruck-und Biege-
beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.4 Rohrbogen bei wechselnder Beanspruchung ..... 89
4 Zylindrische Schalen unter au6erem Uberdruck (Flammrohre) 93
4.1 Dickwandige Hohlzylinder unter AuBendruck 93
4.2 Das Einbeulen kreisrunder Zylinder-Schalen 94
4.3 Das Einbeulen unrunder Zylinder-Schalen 96
4.4 Die Langssteifigkeit von Flammrohren 100
5 Kugel-Schalen . . . . . . . . . . . . 10 I
5.1 Die Beanspruchung in Kugel-Schalen unter Innendruck WI
5.2 Kugel-Schalen mit Ausschnitten .......... 103
x
Inhaltsverzeichnis
6 GewOlbte BOden unter innerem und iiu6erem Uberdruck III
6.1 VollbOden ......... . III
6.2 Mannloch-Boden .......... . 116
6.3 Die Verstlirkung von Ausschnitten 122
6.4 Das Unstabilwerden von gewolbten Boden 122
7 Flammrohr-BOden. . . . . . . . . 125
7.1 Ebene Flammrohr-Boden 126
7.2 Tiefgewolbte Flammrohr-BOden . 126
7.3 Flachgewolbte Flammrohr-BOden 127
8 KegelfOrmige Boden . 129
9 Ebene Platten . . . 136
9.1 Kreisfdrmige Platten. 136
9.2 Rohrplatten in Warmetauschern 144
9.3 Ebene BOden mit Entlastungsnut 152
9.4 Rechteckige und elliptische Platten 154
9.5 Verankerte ebene Platten 155
10 Vierkant-Rohre. . . . . 158
11 Wellrohr-Kompensatoren. 163
11.1 Beanspruchung durch den Innendruck 164
11.2 Beanspruchung durch Langenanderungen 166
11.3 Wechselfestigkeit . 170
12 Flanschverbindungen. . 173
12.1 Die Kraft-Verformungs-Verhaltnisse 173
12.2 Die auBeren Krafte ...... . 174
12.3 Dichtungsvorgang und Dichtungskriifte 176
12.4 Berechnung der Schrauben 181
12.5 Die Flanschbeanspruchung . 182
12.6 Das V erspann ungs-Scha u bild 189
12.7 Entlastete Flansche. . . . . 193
12.8 Flansche aus wenig verformungsfahigen Werkstoffen 195
13 Teller-BOden. . . . . . . . . . . . . 197
13.1 Die Beanspruchung des Flansches 198
13.2 Die Beanspruchung der Kugel-Schale 199
14 Wiinnespannungen 202
15 SprOdbruch. . . . 208
16 Festigkeitsberechnung explosionsfester Bauteile 218
17 Spannungsbewertung bei explosionsdruckstoflfesten Bauteilen . 219
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Bezeichnungen *
a Abstand, Hebelarm, Seitenilinge, M Moment (N . mm)
Halbachse (mm), halbe RiBtiefe (mm) M' Moment pro Langeneinheit
a9 Temperaturleitflihigkeit (mm' /5) (N'mm/mm)
aK Kerbschlag-Ziihigkeit (J/cm') N Platten-Steifigkeit (N . mm)
b Sreite (mm), RiBliinge (mm) P Sezeichnung eines Punktes (-)
c konstanter Zuschlag (mm), Faktor (-) Q Querkraft (N)
d Durchmesser (mm) S Sicherheitsbeiwert (-)
e Abstand (mm), Exponent (-) U Unrundheit (%)
j( ) Funktion VS Vorspannung (%)
h Hohe, Dicke (mm) W Widerstands-Moment (mm')
unbestimmte Zahl (-) Z Zeitabschnitt (s)
k Faktor, Seiwert (-), Exponent (-) 0: Formzahl (-)
k, Formiinderungsfestigkeit (N/mm') Wiirme-Obergangszahl
0:,9
Kc RiBzahigkeit (N/mm3") (J/mm" s· 0c)
I Lange (mm) /f Berechnungsbeiwert (-)
LS Lastspiel /lk, /lK Kerbwirkungszahl (-)
m Seiwert (-) /loY Thermischer Langendehnungs-
n Anzahl (-) Koeffizient (lI°C)
p Druck, Fliichenpressung (N/mm') A5 Bruchdehnung (%)
q Linien-Belastung (N/mm) ,)" Dehngrenzenverhaltnis (-)
q,9 Wiirmedurchgang (J/mm' s) ,)w Stiitzfaktor bei Wechselbcan-
r Radius (mm) spruchung (-)
s Wanddicke, ohne Zuschlag (mm) r; Dehnung (%)
i Wanddicke, mit Zuschliigen (mm) '7, '7K Kerbempfindlichkeit (-)
t Teilungsabstand (mm) .9 Temperatur (0 C)
v Verschwachungsbeiwert, SchweiB- ){ Oberflachen-Faktor (-)
nahtfaktor (-) )'B Rohrbogen-Faktor (-)
V,9 Temperaturiinderungs-Geschwindig- 1..9 Warmeleitzahl (J/mm . s . 0C)
keit (OC/s) 11 Reibungszahl (-)
w Durchwolbung, WeIlentiefe (mm) v Querzahl (-)
X,Y,2 Koordinaten (mm) e Kriimmungsradius (mm)
A Querschnittsflache (mm') (J Normalspannung (N/rrun2)
B Berechnungsbeiwert (-) R Werkstoff-Festigkeitswert (N/rrun2)
C Konstante r Schubspannung (N/mm')
E Elastizitatsmodul (N/mm') rp Winkel (0)
F Einzelkraft (N) X Bezogenes Spannungsgefalle (I /mm)
Hi Hiiufigkeit (-) If! Winkel(")
J Fllichenmoment 2. Grades Z Bruch-Einschniirung (%)
K Werkstoff-F estigkeitswert, allgemein Ll Zuwachs, Differenz
(N/rrun2)
* Der Verfasser hat sich bemiiht, bei der Wahl der Bezeichnungen eine gewisse Systematik
walten zu lassen, z. B. sind aIle Uingenabmessungen nur mit kleinen lateinischen Buchstaben
bezeichnet. Soweit moglich, werden die in DIN 1304 aufgefiihrten Formelzeichen verwendet,
aber auch an altgewohnten Zeichen festgehalten. Ais Einheiten werden nur "mm, N, s, J und
°C" benutzt.
